Waarom staan de lanthaniden en actiniden onderaan het periodiek systeem?

Waar ze eigenlijk thuishoren

Volg de atoomnummers langs periode 6: cesium (55), barium (56), en dan een sprong naar hafnium (72). De 15 elementen van lanthaan (57) tot lutetium (71) vullen dat gat. Periode 7 heeft hetzelfde gat tussen radium (88) en rutherfordium (104), gevuld door de 15 elementen van actinium (89) tot lawrencium (103).

Veel systemen markeren de plek in groep 3 met een plaatshouder met het opschrift 57–71 of 89–103. Als je de twee rijen op hun plek schuift, bevatten periode 6 en 7 elk 32 elementen en heeft het systeem 32 kolommen in plaats van 18. Deze brede indeling heet het lange of 32-kolommen-periodiek systeem.

Het f-blok

De lanthaniden en actiniden vormen het f-blok. Langs deze rijen worden elektronen vooral toegevoegd aan een f-subschil twee schillen onder de buitenste: 4f bij de lanthaniden en 5f bij de actiniden. Een f-subschil bevat 14 elektronen, daarom is het f-blok 14 kolommen breed.

Elke rij telt 15 elementen, één meer dan de 14 kolommen van het f-blok. Dat komt doordat zowel lanthaan als lutetium als lanthanide gelden, en zowel actinium als lawrencium als actinide, terwijl van elk paar maar één echt in groep 3 thuishoort. Scheikundigen debatteren nog steeds welk paar dat moet zijn.

Omdat de toegevoegde elektronen zo diep in het atoom zitten, veranderen de buitenste elektronen nauwelijks langs elke rij. Elke lanthanide eindigt op 6s²; neodymium is bijvoorbeeld [Xe] 4f⁴ 6s². Daarom lijken de lanthaniden chemisch zo sterk op elkaar en zijn ze zo moeilijk te scheiden.

De lanthaniden

De lanthaniden, samen met scandium en yttrium, worden vaak de zeldzame aardmetalen genoemd. Ondanks de naam zijn de meeste niet bijzonder zeldzaam in de aardkorst; ze zijn gewoon verspreid en moeilijk van elkaar te scheiden.

Het zijn meestal zachte, zilverkleurige metalen die doorgaans +3-ionen vormen. Veel ervan zijn onmisbaar voor moderne technologie: neodymium wordt gebruikt in sterke permanente magneten voor motoren, koptelefoons en windturbines, samarium in hittebestendige samarium-kobaltmagneten, europium in de fosforen van schermen en lampen, en gadolinium in contrastmiddelen voor MRI-scans. Langs de reeks krimpen de atomen licht, van 240 pm voor lanthaan tot 221 pm voor lutetium in de gegevens van deze site, een effect dat de lanthanidencontractie heet.

De actiniden

Alle actiniden zijn radioactief. Alleen thorium en uranium komen in grote hoeveelheden in de natuur voor. Actinium en protactinium bestaan in kleine sporen in uranium- en thoriumertsen, en dat geldt ook voor sporen van neptunium en plutonium, maar bijna alle elementen na uranium worden gemaakt in kernreactoren of deeltjesversnellers.

Uranium en plutonium zijn de brandstoffen van kernenergie, en americium-241 wordt gebruikt in veel rookmelders in huis. Actiniden vertonen een breder scala aan ladingen dan lanthaniden: uranium kan bijvoorbeeld +3, +4, +5 of +6 zijn. De zwaarste actiniden, zoals nobelium en lawrencium, zijn alleen ooit in kleine hoeveelheden gemaakt.

Ze aflezen in het systeem

Als je een lanthanide of actinide opzoekt, onthoud dan dat zijn periode 6 of 7 is, ook al staat het in een lagere rij. Neodymium (60) staat in periode 6 en uranium (92) in periode 7. Veel systemen laten het groepsnummer voor deze elementen leeg, omdat de kolommen van het f-blok niet bij de 18 genummerde groepen horen.

Een snelle manier om de bereiken te onthouden: de lanthanidenrij begint vlak na barium (56) en de actinidenrij vlak na radium (88), de twee metalen van groep 2 onderaan hun kolom.